Používání konektorů CCS ke zjednodušení implementace systémů rychlého a bezpečného nabíjení elektromobilů

Používání elektrických vozidel (EV) roste v různých aplikacích od zemědělství a obecních úřadů až po spotřebitele, a to z velké části díky pokračujícímu zmenšování obav z dojezdu. Zatímco pokročilé technologie baterií umožňují vyšší kapacitu baterie na jednotku objemu – a tedy delší dojezdy – využití těchto vylepšení je omezené, pokud dobíjení baterie trvá příliš dlouho. Břímě se tak přeneslo na automobilové společnosti a jejich dodavatele součástek, aby rychle přijali metodologie rychlého nabíjení.

Jednou z kritických součástek při nabíjení jsou konektory. Nyní musí být schopny zpracovat až 500 kW při stejnosměrném napětí až 1 000 V a zároveň pojmout zdroje střídavého proudu. Musí také splňovat požadavky norem IEC 62196 a SAE J1772 pro bezpečné a inteligentní rychlé nabíjení. K uspokojení všech požadavků automobilových a neautomobilových systémů mohou konstruktéři systémů BEV využít konektory, které splňují specifikace kombinovaného nabíjecího systému („Combined Charging System“, CCS).

V tomto článku jsou shrnuty základní úrovně a režimy nabíjení EV a poté zde přejdeme k požadavkům na konektory CCS včetně srovnání konektorů CCS typu 1, CCS typu 2 a čínských konektorů GB/T. V závěru článku je uvedeno přezkoumání rozšířených možností nabízených některými dodavateli, jako jsou širší rozsahy provozních teplot a vyšší stupeň ochrany proti vniknutí (IP), s použitím příkladů konektorů CCS od společností Phoenix Contact, TE Connectivity a Adam Tech.

Kombinovaný nabíjecí systém EV

Vozidlová přívodka CSS je navržena tak, aby umožňovala připojení AC i DC napájecích konektorů. Rychlé nabíjení střídavým proudem je výhodné, když je vozidlo delší dobu zaparkováno v garáži nebo na parkovišti, a rychlé stejnosměrné nabíjení se používá, když parkujete krátkodobě v obchodech, na odpočívadlech a u vyhrazených nabíjecích stanic (obrázek 1).

Obrázek 1: Jedna vozidlová přívodka CCS může podporovat rychlé nabíjení střídavým i stejnosměrným proudem. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Úrovně a režimy nabíjení EV

Klasifikace nabíjení EV zahrnuje: úrovně nabíjení, režimy nabíjení, kabelová pouzdra a v případě CCS typy nabíjecích konektorů. V USA jsou dle normy SAE J1772 rozpoznávány tři úrovně nabíjení:

• Úroveň 1 využívá napájení v domácnostech 120 V_AC a je omezena na přibližně 1,9 kW. Úroveň 1 je pomalá.
• Nabíjení úrovně 2 využívá jednofázové napájení 208/240 V_AC. Zdroj s 240 V_AC může dodávat až přibližně 19 kW. Úroveň 2 představuje „rychlé nabíjení AC“ a nabíjí třikrát až sedmkrát rychleji než úroveň 1. Úrovně 1 a 2 napájejí palubní nabíječku EV.
• Úroveň 3 tvoří rychlé nabíjení stejnosměrným proudem a používá externí nabíječku stejnosměrného proudu k dodání 600 V_DC při 400 A pro celkový výkon 240 kW. Pokročilé stejnosměrné rychlonabíječky mohou dodat 500 kW (1 000 V_DC při 500 A).

V Evropě definuje norma IEC 61851-1 čtyři režimy nabíjení EV:

• Nabíjení režimu 1 využívá jednoduchý kabel zapojený přímo do elektrické zásuvky střídavého proudu. Tento režim nabízí nízký výkon a je málo používaný.
• V režimu 2 se kabel také zapojuje přímo do elektrické zásuvky střídavého proudu, ale přidává integrovanou ochranu, nazývanou zařízení pro ovládání a ochranu umístěné v kabelu („in-cable control and protection device“, IC-CPD). Režim 2 je bezpečnější než režim 1, ale podporuje nabíjení pouze do výkonu asi 15 kW s třífázovým napájením.

Režimy 3 a 4 představují rychlé nabíjení:

• V režimu 3 je využívána vyhrazená nabíjecí stanice (také nazývaná vybavení pro nabíjení EV nebo „EV supply equipment“, EVSE) k dodání až 120 kW AC. Režimy 1, 2 a 3 všechny využívají k řízení nabíjení baterie palubní nabíječku EV.
• Režim 4 se týká rychlého nabíjení DC. Palubní nabíječka EV je vynechána a EVSE dodává energii přímo do baterie přes DC konektor. V režimu 4 lze dodat několik stovek kW. Zatímco energetická zpětná vazba pomocí vysokoúrovňového komunikačního protokolu („high-level communication“, HLC) a řízení nabíjení je v režimu 3 možná, v režimu 4 je vyžadovaná.

Typy připojení, režimy a způsoby připojení

Systém CCS je v Severní Americe standardizován v normě SAE J1772 s konektorem typu 1 a v Evropě v normě IEC 62196 s konektorem typu 2. Rozhraní HCL mezi EV a EVSE je založeno na normě ISO/IEC 15118 a DIN SPEC 70121. Existují tři možná připojení EV k napájení: způsob připojení A, B a C.

Při způsobu připojení A je kabel trvale připojen k EV a podle potřeby se zapojuje do zdroje energie. Způsob připojení A se v systému CCS nepoužívá. Způsoby připojení B a C se používají se systémem CCS a s odpovídajícím čínským standardem nazývaným GB/T (obrázek 2). Pokud je napájecí kabel na obou koncích odpojitelný, jedná se o způsob připojení B. Pokud je kabel k EVSE trvale připojen, jedná se o způsob připojení C. Režim nabíjení 3 může využívat buď způsob připojení B, nebo C. Režim nabíjení 4 může využívat pouze způsob připojení C.

Obrázek 2: Porovnání typů konektorů CCS typu 1 (Severní Amerika), typu 2 (Evropa) a GB/T (Čína), režimů a způsobů připojení. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Monitorování teploty a aktivní chlazení

Monitorování kontaktní teploty je v systémech rychlého nabíjení důležité. Podle normy IEC 62196 nesmí nárůst teploty na kontaktech překročit 50 °C. Ke komunikaci údajů o teplotě mezi EV a EVSE se používá rozhraní HCL. Pokud se teplota příliš zvýší, EVSE nabíjení zpomalí nebo zastaví. V případě konektorů CCS pro nabíjení AC sledují teplotu termistory s pozitivním teplotním koeficientem („positive temperature coefficient“, PTC), jak požaduje norma DIN 60738. Pokud se konektor příliš zahřeje, nabíjení se zastaví (obrázek 3). Pro rychlé nabíjení DC jsou dle normy DIN 60751 vyžadovány dva snímače Pt1000, jeden na každém kontaktu. Snímač Pt1000 má odpor, který se s rostoucí teplotou lineárně zvyšuje.

Obrázek 3: Snímač teploty PTC vypne nabíjení AC, aby teplota nepřekročila bezpečnou úroveň (vlevo). Pro rychlé nabíjení DC umožňuje snímač Pt1000 nepřetržité sledování teploty (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Monitorování teploty spolu s aktivním chlazením je nutné v systémech, které dodávají nabíjecí proudy nad 250 A (obrázek 4). Díky aktivnímu chlazení mohou konektory CCS dodávat až 500 kW (500 A při 1 000 V_DC). V případě, že se neočekávaně zvýší okolní teplota nebo dojde k přetížení, monitorování teploty umožňuje systému zvýšit rychlost chlazení nebo snížit rychlost nabíjení, aby se teplota kontaktů konektoru udržela pod limitem specifikace +50 °C.

Obrázek 4: Aktivní chlazení kombinované se snímáním teploty může podporovat plné nabíjení 500 A a udržovat nárůst teploty konektoru pod +50 °C. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact (upraveno autorem))

Integrované uzamykací mechanismy

Do konektorových systémů CCS jsou integrovány uzamykací mechanismy. Uzamykací mechanismus u konektorů typu 1 představuje ruční zacvakávací mechanismus. U konektorů typu 2 je uzamčení prováděno pomocí elektromagneticky aktivovaného kovového šroubu (obrázek 5). Zámek je ovládán a jeho stav je sdělován EVSE prostřednictvím samostatného připojení.

Obrázek 5: Vozidlové přívodky CCS jsou vybaveny elektromechanicky ovládaným zajišťovacím šroubem (vedle červených šipek, vlevo nahoře) navrženým tak, aby vydržel vysoké vytahovací síly. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Přívodky a konektory typu 1 a 2

Nabíjecí přívodky CCS CHARX od společnosti Phoenix Contact mají průřezy stejnosměrných kabelů až 95 čtverečních milimetrů, které mohou podporovat rychlost nabíjení až 500 kW. Model 1194398 může dodat nabíjení až 125 kW za normálního provozu a až 250 kW v režimu boost (obrázek 6). Tato přívodka CCS typu 1 je navržena pro použití v režimech nabíjení 2, 3 a 4. Na kontaktech AC obsahuje snímač teploty řetězce PTC a na kontaktech DC snímače Pt1000.

Obrázek 6: Vozidlová nabíjecí přívodka CCS typu 1 1194398 společnosti Phoenix Contact pro nabíjení střídavým nebo stejnosměrným proudem může dodávat za normálního provozu 125 kW a v režimu boost až 250 kW. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Je-li třeba vyšší výkon, podporuje vozidlová nabíjecí přívodka 1162148 od společnosti Phoenix Contact nabíjecí rychlost 500 kW v režimu burst a 250 kW v normálním provozu. Digitální přenos signálu pomocí pulzně-šířkové modulace (PWM) je podle norem ISO/IEC 15118 a DIN SPEC 70121 realizován s komunikací přes napájecí kabely. Přívodka má rozsah provozních teplot −40 až +60 °C.

Aplikace, které potřebují AC zástrčku CCS typu 1 pro nabíjení úrovně 2 mohou použít model 2267220-3 od společnosti TE Connectivity AMP Connectors (obrázek 7). Tento konektor je určen pro 240 V_AC a 32 A a má tři napájecí a dva signálové kontakty. Má rozšířený rozsah provozních teplot −55 až +105 °C a je dimenzován na 10 000 spojovacích cyklů.

Obrázek 7: Nabíjecí konektor EV CCS typu 1 zobrazující integrovaný systém ručního uzamykání (levá strana konektoru). (Zdroj obrázku: společnost TE Connectivity)

Sestavy nabíjecích kabelů EV společnosti Adam Tech zahrnují zástrčky typu 1 a typu 2 s kabelem o délce 3 m (9,84 stop) nebo 5 m (16,4 stop) a jsou k dispozici s krytím („ingress protection“, IP) IP54 nebo IP55. Například model CA #EV03AT-004-5M je konektor typu 2 s 5m kabelem a krytím IP55 (obrázek 8). Má pět napájecích a dva signálové kontakty a je dimenzován na 480 V_AC při 16 A s rozsahem provozních teplot −30 až +50 °C.

Obrázek 8: Konektory CCS typu 2 CA #EV03AT-004-5M jsou dimenzovány na 480 V_AC při 16 A. (Zdroj obrázku: společnost Adam Tech)

Aspekty specifikace CCS

Celkové mechanické a elektrické vlastnosti nabíjecích přívodek a konektorů CCS vozidel jsou standardizované, existuje však několik oblastí, které si musí konstruktéři při specifikaci těchto zařízení uvědomit:

Krytí IP: Tato krytí jsou specifikována několika způsoby – při zapojení, při odpojení bez krytu a odpojení s krytem. Některé nekryté zástrčky mají stupeň krytí IP20, což znamená, že jsou odolné proti dotyku a budou odolné vůči prachu nebo předmětům větším než 12 mm. Nemají však žádnou ochranu proti kapalinám a budou náchylné k poškození, pokud přijdou do kontaktu se stříkající vodou. Když jsou zástrčky CCS zakryté nebo když jsou zasunuty, jsou běžné třídy IP54, IP55 a IP65. Krytí IP65 má vyšší stupeň vodotěsnosti ve srovnání se zařízeními IP54, ale stejný stupeň vodotěsnosti ve srovnání se zařízeními IP55. Zařízení IP54 a IP55 mají menší odolnost proti prachu ve srovnání se zařízeními IP65.

Rozsah provozních teplot: Pro tuto specifikaci neexistuje žádná norma. Běžné jsou rozsahy jako −30 až +50 °C a −40 až +60 °C, ale jsou k dispozici rozšířené rozsahy, jako je −55 až +105 °C (viz model 2267220-3 společnosti TE Connectivity uvedený výše).

Součástky měření teploty: Toto je standardizováno pro AC kontakty používající PTC zařízení a pro DC kontakty se snímači Pt1000. Znění katalogového listu zde může být matoucí. Zařízení AC někdy zmiňují použití „PTC“ a někdy „řetězce PTC“. Správné označení je „řetězec PTC“, protože PTC je na každém kontaktu. Pokud je v katalogovém listu uvedeno jednoduše „PTC“, měli by si konstruktéři ověřit, že se používá „řetězec PTC“. V případě snímače Pt1000 se v některých katalogových listech uvádí snímač Pt100, který je méně citlivý a nesplňuje standardy CCS. Je běžnou chybou nazývat snímač Pt1000 zařízením Pt100, protože „100“ se používá mnohem více než „1000“. Konstruktéři by si měli ověřit, že se skutečně jedná o model Pt1000 a že je na každém kontaktu jeden.

Závěr

Rychlé nabíjení AC a DC BEV podporuje rostoucí kapacitu baterií EV a poptávku po delším dojezdu. Rychlé nabíjení AC se používá u elektromobilů, které cestují na relativně krátké vzdálenosti. Alternativně podporuje potřeby jízdy na dlouhé vzdálenosti stejnosměrné rychlé nabíjení s vyšším výkonem, které dokáže baterii EV dobít na 80 % plného nabití během několika minut. Systém CCS nabízí konstruktérům bezpečný, inteligentní a efektivní způsob, jak kombinovat rychlé nabíjení AC a DC v automobilových a neautomobilových aplikacích.

Doporučeno k přečtení

1. Jak rychle a efektivně implementovat flexibilní systémy nabíjení elektromobilů